关于数控机床模态分析的综述

课程：模态分析学院：机电工程学院专业：先进装备动力学与控制学生姓名：李伟班级/学号：研1301班2013020032时间：2014.6.121关于数控机床模态分析的综述摘要我国各行业对数控机床的需求不断增大，而且要求不断提高。研究机床的动态特性主要有三种基本方法，即理论模态分析方法、试验模态分析方法和二者相结合的方法。针对影响加工效率和加工表面质量的数控机床结构动态特性问题,提出一种新的实验模态分析方法.该方法以数控机床自身运动产生的振动为激励源,通过控制运动部件以特定方式空运行,激励起结构的有效振动响应,并结合基于响应信号的模态参数识别方法获得结构的动态特性参数.针对参数识别中的伪模态问题,综合运用识别结果预处理方法和模态稳定性原理,有效去除了识别结果中的伪模态,最终得到影响机床加工的3阶低频模态频率和阻尼比.所得结果与传统实验模态分析结果有较好的一致性.该方法可用于大型重型难激励数控机床的结构动态特性研究.本文详细介绍了关于数控机床模态分析的历史发展和当前的发展现状，并提出了展望。前言面对激烈的全球化市场竞争和科学技术的飞速发展，产品开发的技术含量与复杂程度日益增加，传统的产品设计模式已经不能适应当今市场发展的需要，产品设计正向着网络化、全球化、快速化、虚拟化方向发展。数控机床是最基本的机械加工设备，制造业的地位已经得到各国重视。高档、精密数控机床的结构设计手段则代表了一个国家制造业的装备水平，但随着经济和技术的发展，机床的生产效率和加工精度越来越限制着现代制造业的发展，尤其在有些技术被发达国家垄断的情况下，自主设计高精度机床就显得非常迫切了；而且加工产品的精度要求越来越严格，这也就是对机床的设计提出了更高的要求；随着全球化的到来，制造业受到越来越多的人的关注。数控机床加工精度和生产效率已经制约了现代制造业的发展。[1]目前，我国各行业对数控机床的需求不断增大，而且要求不断提高。但是我国除重型机床、数控齿轮加工机床和中低档电加工机床能满足国内需求外，其它如大功率高扭矩数控车床、精密卧式加工中心、高精度数控万能磨床、高档数控成形机床等高精度、高性能的机床都落后于国外同类产品，所以机床行业任重而道远。[2]1机床动态特性的研究内容及方法1.1机床动态特性的研究内容通常对机床的要求除了重量轻、成本低、使用方便和良好的工艺可能性等一般技术经济性能外，主要集中在对机床的加工性能，即加工质量和加工效率的要求上。因此，提高机床系统的动态特性就成了关键。机床的动态性能主要是指其抵抗振动的能力，包括抗振性和稳定性。提高机床的抗振性，使机床在各种动态力的作用下，刀具与工件的相对振动量控制在加工质量允许的范围之内，这样零件的精确度和光洁度就不会降低。机床的切削效2率不是由其功率或其所能承受的最大载荷决定的，而是由机床切削时发生自激振动的条件决定。这是因为切削过程的自激振动，破坏了切削过程的稳定性，不仅不能满足加工质量的要求，而且切削也难以继续进行。为了使切削能在保证加工质量的条件下顺利进行，就不得不降低切削用量，从而降低了切削效率。因此，为提高机床的切削效率，就应使机床在额定功率范围内都不会产生切削自激振动。即要求机床具有足够的切削稳定性。[2]1.2机床的动态特性的研究方法研究机床的动态特性主要有三种基本方法，即理论模态分析方法、试验模态分析方法和二者相结合的方法。[3]理论模态分析方法是基于结构动力学原理，根据结构的设计方案、图纸、先验知识和资料等建立起能模拟机械结构动态特性的有限元动力学模型，而无需依赖已有的机械设备。通过对该动力学模型分析计算，即可获得该机械结构各种模拟的动态特性。这不仅可以检验其动态特性是否满足设计目标，是否需要对结构进行修改，还可通过对理论模型的计算机仿真，预估结构设计及其改进后的动力特性或对其进行动态优化设计。从而可对多种设计方案反复进行分析比较、修改，使其动态特性逼近设计目标函数的要求。从而可经济、迅速地达到优化设计的目标，把提高机械结构动态性能的问题解决在方案及图纸设计阶段，这是该方法最突出的优点。该方法的不足之处在于对结构、各结合部连接条件及其等效动力学参数、阻尼假设、各种边界条件的近似及简化，以及近似计算等带来的误差，影响了所建有限元模型的模拟精度，从而也就影响了其动态特性的模拟精度。虽可以对模型进行反复修改及调整，以提高其模型精度，但该模型始终难以与实际工况完全吻合，动态特性的模拟误差难以避免。试验模态分析方法是以一定的假设(如线性、定常、稳定、能观等假设)为前提，以一定的理论(如线性振动理论、线性系统辨识理论、信号分析理论等)为基础，以动态试验及其所得信息的分析处理为手段，研究得到了系统辨识的多种方法，从而可建立试验所得的动力学模型，并对其进行分析求解得到其动态特性的理论和方法。试验建模过程一般包括观测数据的获取、数据检验、模型类型选择、模型参数识别、模型适用性验证等步骤。由于这种方法是对现有设备(或其试验装置)的典型工况进行动态试验建模，所以避免了结构、各结合部连接条件及其等效动力学参数、阻尼假设、各种边界条件的近似及简化，以及近似计算等带来的误差，故所得试验模型与现有机械结构的实际工况有较高精度的吻合，因而模型及其动态特性对机械结构的模拟精度都较高，这是该方法最突出的优点。该方法的不足之处在于:需对现有样机(或模拟试验装置)进行动态试验，以改进其动态特性，未能把提高机械结构动态性能的问题解决在方案及图纸设计阶段;一般来说，需备有动态试验所需的激励、测试、信号分析及数据处理等设备及系统，因而投资较大;由于动态试验及信号分析数据处理过程中均带有各种随机噪声干扰，测试仪器仪表的误差，附加质量的影响，信号的模/数转换误差，信号的各种变换、加窗截断带来的误差，参数识别的误差，计算误差等均会对激励、响应信号及模型带来误差，从而也会对求得的动态特性带来一定的误差。理论模态分析和试验模态分析各有优点，又各有其局限性。因此，将理论建模和试验建模有机地结合起来，并根据实际需要交替应用是一个理想的方法。该方法进一步扩大了前两种方法工程应用的范围并显著提高了其工程应用的效果，并己成为目前的发展方向。32模态分析技术的历史发展模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。虽然机械阻抗的概念早在20世纪30年代就已形成，但发展成为今天这样较为完整的理论及方法却经历了较长的岁月。模态分析技术开始于20世纪30年代，经过70多年的发展，模态分析已经成为振动工程中一个重要的分支。早在20世纪40年代，在航空工业中就通过共振实验测量飞机的模态参数，确定系统的固有频率。20世纪60年代，发展了多点单相正弦激振、正弦多频单点激励，通过调力调频分离模态，制造出商用模拟式频响函数分析仪。20世纪60年代末，计算机技术飞速发展使得实验数据处理和数值计算技术出现了崭新的面貌，为了适应现代工程技术要求，试验模态分析技术应运而生。20世纪70年代开始，在动态测量（包括振动测量）中广泛应用数据采集系统，随着FFT数字式动态测试技术的飞速发展，使得以单入单出及单入多出为基础识别方式的模态分析技术普及到各个工业领域，模态分析得到快速发展而日趋成熟。20世纪80年代后期，主要是多入多出随机激振技术和识别技术得到发展。20世纪80年代中期至90年代，模态分析在各个工程领域得到普及和深层次应用，在结构性能评价、结构动态修改和动态设计、故障诊断和状态监测以及声控分析等方面的应用研究异常活跃。例如，远东第一高塔的上海东方明珠电视塔的振动模态试验，为高塔的抗风抗地震安全性设计提供了技术依据；目前世界上跨度第一的斜拉索杨浦大桥的振动试验对大桥抗风振动的安全性分析与故障诊断提供了技术依据；建立在模态分析技术上的桩基断裂检测技术已在高层建筑施工中广泛应用，提高了桩基的质量，确保高层建筑的安全。[4]3机床的模态分析的国内外发展现状3.1国内发展现状我国主要是使用理论模态分析。唐朋飞，郭旭红，张明利等人以某重型机床立柱为对象,通过三维制图软件Pro/E建立三维实体模型,把模型导入ANSYS中,对机床立柱进行静力学及模态分析,获得机床立柱的位移分布情况、固有频率和振型。通过ANSYS分析得到的结果为以后对重型机床立柱的优化设计提供了理论依据,缩短了设计周期。[5]邱海飞,王增强在COSMOS/Works环境下创建了数控机床主轴箱有限元模型,并对其进行模态分析,获得了关心的自振频率及振型。在此基础上,定义多个结构尺寸作为设计变量,对主轴箱动态特性进行优化,结果使其基频得以明显提高,有效增强了箱体的抗振性能。计算得出了一组具有良好动态特性的结构参数,为主轴箱的结构设计提供了重要参考。[6]俞树斌,吉鹏拓以组合机床多轴箱中间箱体为研究对象,运用Pro/E三维建模软件建立了多轴箱中间箱体的实体模型并导入ANSYS软件,在网格划分时采用智能网格划分方法,得到理想的有限元分析模型。最后利用BlockLanczos方法进行多轴箱中间箱体结构模态分析。模态分析结果对多轴箱中间箱体的设计和改进具有一定的意义。[7]王鲁固,陈树利,胡晓康,尹明,岳凤伟运用Pro/E软件建立了主轴系统实体4模型,利用Pro/Mechanica与Pro/E无缝集成功能,对主轴系统进行了模态分析,获得了主轴系统固有频率及振型特征,为进一步研究坡口机床振动问题提供理论参考。[8]侯力轩,殊海燕,张廷波针对某机床厂生产的CK5116数控立式车床在振动过程中存在振动,噪声大等问题,对该机床了进行模态分析。首先采用SolidWorks软件得到整机的三维模型,建立该机床整机结构动力特征方程,通过有限元求解,得到整机的各阶固有频率和振型,同时根据各阶振型变化形态及应力集中区域,分析可能产生的共振频率,结合机床整机振动模态测试试验得到的模态参数,对比试验模态和有限元模态计算结果,除实验条件原因外,在允许的误差范围内,验证了建立的有限元模型是正确的,从而为有效控制机床整机振动噪声等问题的研究提供理论基础,为同类机床结构性能优化分析与实验提供必要的参考。[9]孙海军，刘冰冰通过对某大学自主研制的微小型车铣复合机床KNC-50FS进行模态测试,得到该机床的低阶模态振型,并通过切削实验进行验证。模态分析结果为机床颤振研究和加工参数选择提供了基础。[10]周秦源,周志雄,汤爱民,肖思来为了分析数控机床7:24锥度工具系统在高速旋转的振动特性,基于UG-NX5造型软件平台构建了7:24锥度工具系统三维几何模型,并根据实际工况建立有限元模型,利用ANSYS软件对施加有位移约束的有限元模型进行了前六阶模态分析,得出固有频率和振型,为数控机床7:24锥度工具系统的动力特性设计和模态实验分析提供了重要的依据。[11]3.2国外发展现状国外对机床动态分析和动态设计领域的研究很多，并在结构设计方面形成了系统的理论。[1]密歇根大学的T.jiang和M.ciredast在应用有限元法和动态分析的基础上，提出一种数学模型来模拟机床结构的联结形式，建立整机的模型并对机床结合面的联接件(如焊点、螺栓等)的位置和数量进行拓扑优化设计。美国纽约州特洛伊的伦斯勒理工学院利用有限元法研究分析机械系统中所产生的摩擦力对要求低速高精度的机床的影响。美国爱荷华州立大学针对多联系、几何约束、刚性/柔性机械系统的动态分析，并改进相关计算方法，同时成功应用在卡车的提升系统。4总结与展望模态分析分为理论模态分析和实验模态分析。①理论模态分析是以线性振动理论为基础，以模态参数为目标，研究激励、系统、响应三者之间的关系。实际上是一种理论建模的过程。主要方法是运用有限元法对振动结构进行离散化，建立系统特征值的数学模型，求出系统特征值与特征向量，即系统的固有频率和固有振型矢量。②实验模态分析又称模态分析的实验过程。首先利用实验测得的激励和响应的时间历程，运用数字处理技术求频响函数和脉冲响应函数。再运用参数识别方法，求得系统模态参数。模态参数包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度和模态阻尼比等，但其中最重要的是前两项。模态参数将表明在哪几种频率下结构会产生共振以及